KR102143101B1 - Method for preparing positive electrode active material for secondary battery, positive electrode active material prepared by the same and lithium secondary battery comprising the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 리튬 전이금속 산화물을 마련하는 단계; 상기 리튬 전이금속 산화물과, 코팅용 폴리머 및 카바이드(carbide)를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 및 상기 혼합물을 열처리하여, 상기 리튬 전이금속 산화물의 입자 표면에 탄화된 코팅용 폴리머 및 카바이드(carbide)를 포함하는 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하는 이차전지용 양극 활물질의 제조방법을 제공한다.The present invention provides a lithium transition metal oxide; Forming a mixture by mixing the lithium transition metal oxide, a coating polymer, and a carbide; And forming a coating layer including a carbonized coating polymer and carbide on the surface of the particles of the lithium transition metal oxide by heat-treating the mixture. It provides a method for producing a cathode active material for a secondary battery comprising.
Description
본 발명은 이차전지용 양극 활물질의 제조방법, 이와 같이 제조된 양극 활물질 및 이를 포함하는 리튬 이차전지에 관한 것이다. The present invention relates to a method of manufacturing a positive electrode active material for a secondary battery, a positive electrode active material thus prepared, and a lithium secondary battery including the same.
최근 휴대전화, 노트북 컴퓨터, 전기 자동차 등 전지를 사용하는 전자기구의 급속한 보급에 수반하여 소형 경량이면서도 상대적으로 고용량인 이차전지의 수요가 급속히 증대되고 있다. 특히, 리튬 이차전지는 경량이고 고에너지 밀도를 가지고 있어 휴대 기기의 구동 전원으로서 각광을 받고 있다. 이에 따라, 리튬 이차전지의 성능향상을 위한 연구개발 노력이 활발하게 진행되고 있다. 2. Description of the Related Art With the rapid spread of electronic devices using batteries, such as mobile phones, notebook computers, and electric vehicles, the demand for secondary batteries, which are small, lightweight, and relatively high-capacity is rapidly increasing. In particular, lithium secondary batteries are in the spotlight as driving power sources for portable devices due to their light weight and high energy density. Accordingly, research and development efforts to improve the performance of lithium secondary batteries have been actively conducted.
리튬 이차전지는 리튬 이온의 삽입(intercalations) 및 탈리(deintercalation)가 가능한 활물질로 이루어진 양극과 음극 사이에 유기 전해액 또는 폴리머 전해액을 충전시킨 상태에서 리튬 이온이 양극 및 음극에서 삽입/탈리 될 때의 산화와 환원 반응에 의해 전기 에너지가 생산된다.The lithium secondary battery is oxidized when lithium ions are inserted/detached from the positive electrode and the negative electrode while the organic electrolyte or the polymer electrolyte is charged between the positive electrode and the negative electrode made of an active material capable of intercalations and deintercalation of lithium ions. Electric energy is produced by the reduction reaction with.
리튬 이차전지의 양극 활물질로는 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2), 리튬 망간 산화물(LiMnO2 또는 LiMn2O4 등), 리튬 인산철 화합물(LiFePO4) 등이 주로 사용된다. 또한, LiNiO2의 우수한 가역 용량은 유지하면서도 낮은 열 안정성을 개선하기 위한 방법으로서, 니켈(Ni)의 일부를 코발트(Co)나 망간(Mn)으로 치환하는 방법이 제안되었다. 그러나 니켈의 일부를 코발트로 치환한 LiNi1 - αCoαO2(α=0.1~0.3)의 경우 우수한 충·방전특성과 수명특성을 보이나, 열적 안정성이 낮다. 한편, 니켈(Ni)의 일부를 열적 안정성이 뛰어난 망간(Mn)으로 치환한 니켈 망간계 리튬 복합금속 산화물 및 망간(Mn)과 코발트(Co)로 치환한 니켈 코발트 망간계 리튬 복합금속 산화물(이하 간단히 'NCM계 리튬 산화물'이라 함)의 경우 상대적으로 사이클 특성 및 열적 안정성이 우수하다는 장점이 있다.Lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), lithium manganese oxide (LiMnO 2 or LiMn 2 O 4 etc.), lithium iron phosphate compound (LiFePO 4 ), etc. are mainly used as positive active materials for lithium secondary batteries. do. In addition, as a method for improving low thermal stability while maintaining excellent reversible capacity of LiNiO 2 , a method of substituting part of nickel (Ni) with cobalt (Co) or manganese (Mn) has been proposed. However, LiNi 1 - α Co α O 2 (α=0.1~0.3) in which a part of nickel is replaced with cobalt shows excellent charge/discharge characteristics and lifespan characteristics, but has low thermal stability. Meanwhile, a nickel manganese-based lithium composite metal oxide in which a part of nickel (Ni) is replaced with manganese (Mn) with excellent thermal stability, and a nickel cobalt-manganese-based lithium composite metal oxide substituted with manganese (Mn) and cobalt (Co) (hereinafter Simply referred to as'NCM-based lithium oxide') has the advantage of relatively excellent cycle characteristics and thermal stability.
최근 고용량화 및 고에너지 밀도에 대한 요구가 점차 커지고 있으며, 구동 전압 범위의 확대를 통한 고전압화를 통해 목표 에너지 밀도 구현을 시도하고 있다. 이에, 기존의 4.3V 이하보다 더욱 고전압인 4.35V 이상의 충전 전압 조건에서 신뢰성 및 안정성을 가지는 내고전압용 양극 활물질의 개발이 요구되고 있다.Recently, the demand for high capacity and high energy density is gradually increasing, and an attempt is made to realize a target energy density by increasing the voltage by expanding the driving voltage range. Accordingly, there is a need to develop a high voltage withstand positive electrode active material having reliability and stability under a charging voltage condition of 4.35V or higher, which is a higher voltage than the existing 4.3V or lower.
특히, 고전압 상태에서는 전해액과의 부반응 증가 및 양극 활물질 표면에 SEI(Solid electrolyte interface) 막 형성에 따른 수명 특성 저하 및 저항 증가의 문제가 있어, 이를 개선한 양극 활물질의 개발이 필요한 실정이다. In particular, in the high voltage state, there is a problem of a decrease in life characteristics and an increase in resistance due to an increase in side reactions with the electrolyte and the formation of a solid electrolyte interface (SEI) film on the surface of the positive electrode active material.
본 발명은 고전압 하에서 전해액과의 부반응 및 양극 활물질 표면의 SEI(Solid electrolyte interface) 막 형성을 억제하고, 저항 특성 및 수명 특성이 개선된 내고전압용 이차전지 양극 활물질을 제공하고자 하는 것이다.An object of the present invention is to provide a positive electrode active material for a high-voltage secondary battery with improved resistance characteristics and life characteristics, suppressing side reactions with an electrolyte solution and formation of a solid electrolyte interface (SEI) film on the surface of a positive electrode active material under high voltage.
본 발명은 리튬 전이금속 산화물을 마련하는 단계; 상기 리튬 전이금속 산화물, 코팅용 폴리머 및 카바이드(carbide)를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 및 상기 혼합물을 열처리하여, 상기 리튬 전이금속 산화물의 입자 표면에 탄화된 코팅용 폴리머 및 카바이드(carbide)를 포함하는 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하는 이차전지용 양극 활물질의 제조방법을 제공한다.The present invention provides a lithium transition metal oxide; Forming a mixture by mixing the lithium transition metal oxide, a coating polymer, and a carbide; And forming a coating layer including a carbonized coating polymer and carbide on the surface of the particles of the lithium transition metal oxide by heat-treating the mixture. It provides a method for producing a cathode active material for a secondary battery comprising.
또한, 본 발명은 리튬 전이금속 산화물; 및 상기 리튬 전이금속 산화물의 입자 표면에 형성된 코팅층;을 포함하며, 상기 코팅층은 막 형태로 이루어지고, 상기 코팅층은 탄화된 코팅용 폴리머 및 카바이드(carbide)를 포함하는 이차전지용 양극 활물질을 제공한다.In addition, the present invention is a lithium transition metal oxide; And a coating layer formed on the particle surface of the lithium transition metal oxide, wherein the coating layer is formed in a film form, and the coating layer provides a cathode active material for a secondary battery comprising a carbonized coating polymer and carbide.
또한, 본 발명은 상기 양극 활물질을 포함하는 양극 및 리튬 이차전지를 제공한다.In addition, the present invention provides a positive electrode and a lithium secondary battery comprising the positive electrode active material.
본 발명에 따르면, 고전압 하에서 전해액과의 부반응 및 양극 활물질 표면의 SEI(Solid electrolyte interface) 막 형성을 억제하고, 저항 특성 및 수명 특성이 개선된 내고전압용 이차전지 양극 활물질을 제조할 수 있다.According to the present invention, a positive electrode active material for a high voltage secondary battery with improved resistance characteristics and life characteristics can be prepared by suppressing side reactions with an electrolyte solution under high voltage and formation of a solid electrolyte interface (SEI) film on the surface of a positive electrode active material.
본 발명에 따른 이차전지용 양극 활물질은 고전압 상태의 충/방전을 반복하면서 발생하는 양극 활물질의 기계적 파손을 방지할 수 있다. 또한, 양극 활물질 입자 표면 전체에 균일한 코팅이 가능하며, 우수한 전기 전도성 확보로 초기 저항 및 저항 증가율을 감소시킬 수 있다.The positive electrode active material for a secondary battery according to the present invention can prevent mechanical damage of the positive electrode active material that occurs while repeating charging/discharging in a high voltage state. In addition, it is possible to uniformly coat the entire surface of the positive electrode active material particle, and reduce initial resistance and resistance increase rate by securing excellent electrical conductivity.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예 1에 따라 제조된 양극 활물질을 확대 관찰한 주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscope)사진이다.
도 3 및 도 4는 비교예 2에 따라 제조된 양극 활물질을 확대 관찰한 주사전자현미경(SEM, Scanning Electron Microscope)사진이다. 1 and 2 are scanning electron microscope (SEM, Scanning Electron Microscope) photographs of an enlarged observation of a positive electrode active material prepared according to Example 1 of the present invention.
3 and 4 are scanning electron microscope (SEM) photographs of an enlarged observation of a positive active material prepared according to Comparative Example 2.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 이때, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail to aid understanding of the present invention. At this time, terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to a conventional or dictionary meaning, and the inventor appropriately defines the concept of terms in order to describe his own invention in the best way. It should be interpreted as a meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it can be done.
본 발명의 이차전지용 양극 활물질의 제조방법은 리튬 전이금속 산화물을 마련하는 단계; 상기 리튬 전이금속 산화물, 코팅용 폴리머 및 카바이드(carbide)를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 및 상기 혼합물을 열처리하여, 상기 리튬 전이금속 산화물의 입자 표면에 탄화된 코팅용 폴리머 및 카바이드(carbide)를 포함하는 코팅층을 형성하는 단계;를 포함한다.The method for preparing a positive electrode active material for a secondary battery of the present invention comprises: preparing a lithium transition metal oxide; Forming a mixture by mixing the lithium transition metal oxide, a coating polymer, and a carbide; And forming a coating layer including a carbonized coating polymer and carbide on the surface of the particles of the lithium transition metal oxide by heat treatment of the mixture.
본 발명은 코팅용 폴리머 및 카바이드(carbide)의 혼합물을 사용하여 리튬 전이금속 산화물 입자를 코팅함으로써, 고전압 하에서 전해액과의 부반응 및 양극 활물질 표면의 SEI(Solid electrolyte interface) 막 형성을 억제하고, 저항 특성 및 수명 특성을 개선할 수 있다. 연성 소재의 코팅용 폴리머를 사용함으로써 고전압 상태의 충/방전을 반복하면서 발생하는 양극 활물질의 기계적 파손을 방지할 수 있으며, 전기 전도성이 우수한 카바이드(carbide)를 사용함으로써 우수한 전기 전도성 확보로 인해 초기 저항 및 저항 증가율을 감소시킬 수 있다. 또한, 코팅 공정 중 열처리를 통해 상기 코팅용 폴리머가 탄화되어 추가적인 전기 전도성을 확보할 수 있다.The present invention coats lithium transition metal oxide particles using a mixture of a coating polymer and carbide, thereby inhibiting side reactions with the electrolyte and the formation of a solid electrolyte interface (SEI) film on the surface of the positive electrode active material under high voltage, and resistance properties. And it is possible to improve the life characteristics. By using a soft material coating polymer, it is possible to prevent mechanical damage of the positive electrode active material that occurs while repeating charging/discharging in a high voltage state, and initial resistance due to securing excellent electrical conductivity by using a carbide with excellent electrical conductivity. And it is possible to reduce the resistance increase rate. In addition, the coating polymer may be carbonized through heat treatment during the coating process to secure additional electrical conductivity.
본 발명의 이차전지용 양극 활물질의 제조방법을 하기에서 단계별로 구체적으로 설명한다. The method of manufacturing the positive electrode active material for a secondary battery of the present invention will be described in detail step by step below.
먼저, 리튬 전이금속 산화물을 마련한다.First, a lithium transition metal oxide is prepared.
상기 리튬 전이금속 산화물은 통상적으로 양극 활물질로서 사용되는 리튬 전이금속 산화물을 사용할 수 있으며, 보다 바람직하게는 니켈(Ni), 코발트(Co) 및 망간(Mn)으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나 이상의 전이금속 양이온을 포함하는 리튬 전이금속 산화물을 사용할 수 있다. 예를 들어, 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2) 등의 층상 화합물이나, 화학식 Li1+x1Mn2-x1O4 (여기서, x1 는 0 ~ 0.33), LiMnO3, LiMn2O3, LiMnO2 등의 리튬 망간 산화물, 화학식 LiNi1 - x2M1 x2O2 (여기서, M1= Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B 또는 Ga 이고, x2 = 0.01 ~ 0.3)으로 표현되는 Ni 사이트형 리튬 니켈 산화물, 화학식 LiMn2-x3M2 x3O2(여기서, M2 = Co, Ni, Fe, Cr, Zn 또는 Ta 이고, x3 = 0.01 ~ 0.1) 또는 Li2Mn3M3O8 (여기서, M3 = Fe, Co, Ni, Cu 또는 Zn)으로 표현되는 리튬 망간 복합 산화물, LiNix4Mn2 - x4O4(여기서, x4 = 0.01 ~ 1)로 표현되는 스피넬 구조의 리튬 망간 복합 산화물, 리튬 인산철 화합물(LiFePO4) 등을 들 수 있지만, 이들만으로 한정되는 것은 아니며, 보다 바람직하게는 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2), 리튬 망간 산화물(LiMn2O4), 리튬 인산철 화합물(LiFePO4) 등일 수 있다.The lithium transition metal oxide may be a lithium transition metal oxide, which is typically used as a positive electrode active material, more preferably any one or more transition metals selected from the group consisting of nickel (Ni), cobalt (Co) and manganese (Mn). Lithium transition metal oxides containing cations may be used. For example, layered compounds such as lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ) and lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), or the formula Li 1+x1 Mn 2-x1 O 4 (where x1 is 0 to 0.33), LiMnO 3 , LiMn 2 O 3 , lithium manganese oxide such as LiMnO 2 , the formula LiNi 1 - x2 M 1 x2 O 2 (where M 1 = Co, Mn, Al, Cu, Fe, Mg, B or Ga, x2 = 0.01 ~ 0.3 ) Ni site-type lithium nickel oxide, the formula LiMn 2-x3 M 2 x3 O 2 (where M 2 = Co, Ni, Fe, Cr, Zn or Ta, x3 = 0.01 ~ 0.1) or Li 2 Mn 3 M 3 O 8 (here, M 3 = Fe, Co, Ni, Cu, or Zn) lithium manganese complex oxide, LiNi x4 Mn 2 - x4 O 4 (here, x4 = 0.01 ~ 1) Structure of lithium manganese composite oxide, lithium iron phosphate compound (LiFePO 4 ), etc., but are not limited thereto, more preferably lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), lithium manganese It may be an oxide (LiMn 2 O 4 ), a lithium iron phosphate compound (LiFePO 4 ), or the like.
또는, 상기 양극 활물질로서 하기 화학식 1로 표시되는 리튬 전이금속 복합 산화물을 포함할 수 있다.Alternatively, as the positive electrode active material, a lithium transition metal composite oxide represented by Formula 1 may be included.
[화학식 1][Formula 1]
LipNi1-x-yCoxMa yMb zO2 Li p Ni 1-xy Co x M a y M b z O 2
상기 식에서, Ma은 Mn, Al 및 Zr로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소이고, Mb는 Al, Zr, Ti, Mg, Ta, Nb, Mo, W 및 Cr로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 원소이며, 0.9≤p≤1.5, 0≤x≤0.5, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.1이다. 보다 바람직하게는 0≤x+y≤0.7일 수 있고, 가장 바람직하게는 0<x+y≤0.4이며, 전체 전이금속 중 니켈(Ni)의 함량이 60몰% 이상인 High-Ni NCM계 양극 활물질일 수 있다. 예를 들어, 상기 양극 활물질은 보다 바람직하게는 LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2, LiNi0 . 9Co0 . 05Mn0 . 05O2 , 또는 LiNi0 . 6Co0 . 2Mn0 . 2O2 등의 High-Ni NCM계 리튬 전이금속 산화물일 수 있다.In the above formula, M a is at least one element selected from the group consisting of Mn, Al and Zr, and M b is at least one selected from the group consisting of Al, Zr, Ti, Mg, Ta, Nb, Mo, W and Cr The above elements are 0.9≦p≦1.5, 0≦x≦0.5, 0≦y≦0.5, and 0≦z≦0.1. More preferably 0≦x+y≦0.7, most preferably 0<x+y≦0.4, and a high-Ni NCM-based positive electrode active material having a nickel (Ni) content of 60 mol% or more among the total transition metals Can be For example, the positive electrode active material is more preferably LiNi 0.8 Co 0.1 Mn 0.1 O 2 , LiNi 0 . 9 Co 0 . 05 Mn 0 . 05 O 2 , or LiNi 0 . 6 Co 0 . 2 Mn 0 . 2 O 2 It may be a High-Ni NCM-based lithium transition metal oxide such as.
다음으로, 상기 리튬 전이금속 산화물과, 코팅용 폴리머 및 카바이드(carbide)를 혼합하여 혼합물을 형성한다.Next, the lithium transition metal oxide, a coating polymer, and a carbide are mixed to form a mixture.
상기 코팅용 폴리머는 리튬 전이금속 산화물의 입자 표면을 피복 처리할 수 있고, 전기화학적 성능을 저하시키지 않는 것이라면 사용 가능하고, 예를 들어, 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 폴리바이닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone), 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트,폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴, 에폭시수지, 아미노 수지, 페놀 수지, 폴리에스테르 수지로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상일 수 있으며, 보다 바람직하게는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF) 및 폴리바이닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone), 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리염화비닐리덴으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 사용할 수 있다.The coating polymer can be used as long as it can coat the particle surface of lithium transition metal oxide and does not degrade electrochemical performance. For example, polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinylpyrrolidone ( Polyvinylpyrrolidone), polyethylene, polystyrene, polyethylene terephthalate, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, epoxy resin, amino resin, phenol resin, polyester resin may be at least one selected from the group consisting of, more preferably polyvinylidene At least one selected from the group consisting of fluoride (PVDF), polyvinylpyrrolidone, polyethylene terephthalate, and polyvinylidene chloride may be used.
연성 소재의 상기 코팅용 폴리머를 사용함으로써 고전압 상태의 충/방전을 반복하면서 발생하는 양극 활물질의 기계적 파손을 방지할 수 있다. 또한, 기존의 메탈 옥사이드의 건식 코팅법을 통한 코팅층 형성은 아일랜드(island) 형태로 코팅되고 막 형태로 균일하게 코팅하기 어려웠으나, 상기 코팅용 폴리머와 카바이드(carbide)의 혼합물로 코팅하는 본 발명의 경우 코팅용 폴리머의 녹는점을 바탕으로 코팅 공정 중 온도 제어를 통해 용이하게 막 형태의 균일한 코팅층을 형성할 수 있으며, 상기 코팅용 폴리머와 혼합된 카바이드(carbide)가 양극 활물질 입자 표면에 균일하게 분포되도록 할 수 있다. 또한, 상기 코팅용 폴리머는 코팅 공정 중 열처리를 통해 탄화되어 추가적인 전기 전도성 확보의 역할을 할 수 있다.By using the flexible material for coating polymer, it is possible to prevent mechanical damage to the positive electrode active material that occurs while repeating charging/discharging in a high voltage state. In addition, the formation of the coating layer through the conventional dry coating method of metal oxide was difficult to coat in an island form and uniformly in a film form, but the present invention coated with a mixture of the coating polymer and carbide. In this case, a uniform coating layer in the form of a film can be easily formed through temperature control during the coating process based on the melting point of the coating polymer, and the carbide mixed with the coating polymer is uniformly applied to the surface of the positive electrode active material particles. Can be distributed. In addition, the coating polymer may be carbonized through heat treatment during the coating process to secure additional electrical conductivity.
상기 코팅용 폴리머는 상기 혼합물에 포함된 리튬 전이금속 산화물 100중량부에 대하여 0.001 내지 10중량부로 포함될 수 있으며, 보다 바람직하게는 0.005 내지 5중량부 포함될 수 있다. 상기 코팅용 폴리머가 리튬 전이금속 산화물 100중량부 대비 0.001 내지 10중량부로 혼합됨으로써, 양극 활물질 입자 표면 전체에 균일하게 막 형태로 코팅층을 형성할 수 있으며, 이와 같이 형성된 코팅층은 고전압 상태의 충/방전을 반복하면서 발생하는 양극 활물질의 기계적 파손을 방지할 수 있다.The coating polymer may be included in an amount of 0.001 to 10 parts by weight, more preferably 0.005 to 5 parts by weight, based on 100 parts by weight of the lithium transition metal oxide contained in the mixture. Since the coating polymer is mixed in an amount of 0.001 to 10 parts by weight relative to 100 parts by weight of lithium transition metal oxide, a coating layer can be uniformly formed on the entire surface of the positive electrode active material particles, and the coating layer formed as described above can be charged/discharged in a high voltage state. It is possible to prevent mechanical damage of the positive electrode active material that occurs while repeating.
상기 카바이드(carbide)는 탄소와 그 밖의 1원소로 이루어진 화합물로서, 예를 들어, B4C, Al4C3, TiC, TaC, WC, NbC, HfC, VC 및 ZrC로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상일 수 있으며, 보다 바람직하게는 B4C 또는 Al4C3일 수 있다.The carbide (carbide) is a compound consisting of carbon and another element, for example, at least one selected from the group consisting of B 4 C, Al 4 C 3 , TiC, TaC, WC, NbC, HfC, VC and ZrC It may be more, more preferably B 4 C or Al 4 C 3 It may be.
상기 카바이드(carbide)는 탄소와 다른 원소가 공유 결합되어 있으며, 상대적으로 높은 녹는점을 가지고 있어, 코팅 공정 중 산화 분위기 고온 열처리 시에도 CO2 또는 CO로 분해되지 않고 그대로 잔존할 수 있으며, 상기 코팅용 폴리머와 함께 양극 활물질 입자 표면에 균일하게 분포되도록 코팅될 수 있다. 이를 통해 우수한 전기 전도성을 확보할 수 있으며, 우수한 전기 전도성 확보로 초기 저항 및 저항 증가율을 감소시킬 수 있다.The carbide (carbide) is covalently bonded with carbon and other elements, and has a relatively high melting point, so that it is not decomposed into CO 2 or CO even during high temperature heat treatment in an oxidizing atmosphere during the coating process, and can remain as it is. It may be coated to be uniformly distributed on the surface of the positive electrode active material particles together with the solvent polymer. Through this, excellent electrical conductivity can be secured, and initial resistance and resistance increase rate can be reduced by securing excellent electrical conductivity.
상기 카바이드(carbide)는 상기 혼합물에 포함된 리튬 전이금속 산화물 100중량부에 대하여 0.001 내지 10중량부로 포함될 수 있으며, 보다 바람직하게는 0.002 내지 2중량부 포함될 수 있다. 상기 카바이드(carbide)가 리튬 전이금속 산화물 100중량부 대비 0.001 내지 10중량부로 혼합됨으로써, 양극 활물질 입자 표면 전체에 균일하게 분포할 수 있으며, 우수한 전기 전도성 확보로 인해 초기 저항 및 저항 증가율을 감소시킬 수 있다.The carbide (carbide) may be included in an amount of 0.001 to 10 parts by weight, more preferably 0.002 to 2 parts by weight based on 100 parts by weight of the lithium transition metal oxide contained in the mixture. Since the carbide (carbide) is mixed in an amount of 0.001 to 10 parts by weight relative to 100 parts by weight of lithium transition metal oxide, it can be uniformly distributed over the entire surface of the positive electrode active material particles, and the initial resistance and resistance increase rate can be reduced by securing excellent electrical conductivity. have.
한편, 상기 혼합물은 리튬 전이금속 산화물에 코팅용 폴리머를 투입 및 교반한 후, 상기 카바이드(carbide)를 투입 및 교반하여 제조할 수도 있고, 동시에 코팅용 폴리머 및 카바이드(carbide)를 투입하고 교반하여 제조할 수도 있으며, 제조 공정의 순서는 특별히 제한되지 않는다. 혼합물 형성시 교반 공정을 선택적으로 수행할 수 있으며, 이때 교반 속도는 100rpm 내자 2,000rpm일 수 있다.On the other hand, the mixture may be prepared by adding and stirring the coating polymer in lithium transition metal oxide, and then adding and stirring the carbide, and at the same time, the coating polymer and carbide are added and stirred. It may be possible, and the order of the manufacturing process is not particularly limited. When the mixture is formed, a stirring process may be selectively performed, and in this case, the stirring speed may be 100 rpm and 2,000 rpm.
상기 혼합물은 상기 코팅용 폴리머 및 카바이드(carbide)를 1:99 내지 99:1 중량비로 포함할 수 있으며, 보다 바람직하게는 20:80 내지 80:20 중량비로 포함할 수 있다. 상기 코팅용 폴리머 및 카바이드(carbide)를 상기 중량비 범위 내로 포함함으로써 양극 활물질 입자 표면 전체에 균일한 막 형태의 코팅층을 형성할 수 있으며, 카바이드(carbide)가 균일 분포될 수 있다. 또한, 이를 통해 고전압 하에서 전해액과의 부반응 및 양극 활물질 표면의 SEI(Solid electrolyte interface) 막 형성을 억제할 수 있으며, 저항 특성 및 수명 특성이 개선된 내고전압용 양극 활물질을 제조할 수 있다.The mixture may include the coating polymer and carbide (carbide) in a weight ratio of 1:99 to 99:1, more preferably in a weight ratio of 20:80 to 80:20. By including the coating polymer and carbide within the weight ratio range, a coating layer in the form of a uniform film can be formed on the entire surface of the positive electrode active material particles, and carbide can be uniformly distributed. In addition, through this, it is possible to suppress side reactions with the electrolyte and the formation of a solid electrolyte interface (SEI) film on the surface of the positive electrode active material under high voltage, and to manufacture a positive electrode active material for high voltage resistance with improved resistance characteristics and life characteristics.
다음으로, 상기 혼합물을 열처리하여, 상기 리튬 전이금속 산화물의 입자 표면에 탄화된 코팅용 폴리머 및 카바이드(carbide)를 포함하는 코팅층을 형성한다.Next, the mixture is heat-treated to form a coating layer including a carbonized coating polymer and carbide on the surface of the particles of the lithium transition metal oxide.
상기 코팅층을 형성하기 위한 열처리는 공기나 산소 등의 산화성 분위기 또는 질소 등의 비활성 분위기하에서 수행할 수 있으나, 보다 바람직하게는 산화성 분위기에서 수행할 수 있다. The heat treatment for forming the coating layer may be performed in an oxidizing atmosphere such as air or oxygen or an inert atmosphere such as nitrogen, but more preferably, it may be performed in an oxidizing atmosphere.
상기 열처리는 200 내지 800℃에서 0.5 내지 5시간 동안 수행할 수 있으며, 보다 바람직하게는 300 내지 600℃에서 0.5 내지 5시간 동안 수행할 수 있다. The heat treatment may be performed at 200 to 800°C for 0.5 to 5 hours, more preferably at 300 to 600°C for 0.5 to 5 hours.
이와 같이 제조된 본 발명의 이차전지용 양극 활물질은 리튬 전이금속 산화물; 및 상기 리튬 전이금속 산화물의 입자 표면에 형성된 코팅층;을 포함하며, 상기 코팅층은 막 형태로 이루어지고, 상기 코팅층은 탄화된 코팅용 폴리머 및 카바이드(carbide)를 포함한다.The positive electrode active material for a secondary battery of the present invention prepared as described above is lithium transition metal oxide; And a coating layer formed on the surface of the particles of the lithium transition metal oxide, wherein the coating layer is formed in a film form, and the coating layer includes a carbonized coating polymer and carbide.
코팅 공정에서 사용된 코팅용 폴리머는 코팅 공정 중의 열처리를 통해 탄화된 형태로 코팅층을 형성할 수 있다. 상기 탄화된 코팅용 폴리머로 인해 추가적인 전기 전도성을 확보할 수 있다. The coating polymer used in the coating process can form a coating layer in a carbonized form through heat treatment during the coating process. Additional electrical conductivity may be secured due to the carbonized coating polymer.
상기 카바이드(carbide)는 코팅 공정 중 산화 분위기 고온 열처리 시에도 CO2 또는 CO로 분해되지 않고 그대로 잔존할 수 있으며, 상기 코팅용 폴리머와 함께 코팅층을 형성하고, 양극 활물질 입자 표면에 균일하게 분포할 수 있다. The carbide (carbide) can remain without being decomposed into CO 2 or CO even during high temperature heat treatment in an oxidizing atmosphere during the coating process, forming a coating layer with the coating polymer, and uniformly distributed on the surface of the positive electrode active material particles. have.
상기 코팅층은 리튬 전이금속 산화물 입자 100중량부에 대하여 상기 카바이드(carbide)를 0.001 내지 10중량부 포함할 수 있으며, 보다 바람직하게는 0.002 내지 2중량부를 포함할 수 있다. 코팅 공정 중 열처리 시에도 카바이드(carbide)가 분해 제거되지 않고 잔존하여 상기 함유량을 만족할 수 있으며, 카바이드(carbide)가 상기 범위 내로 포함됨으로써 우수한 전기 전도성을 확보하고, 초기 저항 및 저항 증가율을 감소시키며, 고전압용 양극 활물질로서 적합하게 적용할 수 있다. The coating layer may contain 0.001 to 10 parts by weight of the carbide, more preferably 0.002 to 2 parts by weight, based on 100 parts by weight of the lithium transition metal oxide particles. Even during the heat treatment during the coating process, carbide remains without decomposition and removal to satisfy the above content, and since carbide is included within the above range, excellent electrical conductivity is secured, and initial resistance and resistance increase rate are reduced, It can be suitably applied as a high voltage positive electrode active material.
상기 코팅용 폴리머 및 카바이드(carbide)의 종류는 앞서 본 발명의 이차전지용 양극 활물질의 제조방법에서 설명한 바와 동일하게 적용된다.The types of the coating polymer and carbide are applied in the same manner as described in the method of manufacturing the positive electrode active material for a secondary battery of the present invention.
상기 코팅층은 리튬 전이금속 산화물의 입자 표면을 둘러싸는 막 형태로 이루어지며, 상기 코팅층의 두께는 5 내지 2,000nm, 보다 바람직하게는 10 내지 500nm일 수 있다. 상기 코팅층의 두께가 5nm 미만이면 코팅층이 너무 얇은 부분이 발생하여 균일한 막 형태의 코팅층 형성이 어려울 수 있으며, 2,000nm를 초과하면 이온전도성을 낮추어 용량 저하의 문제가 있을 수 있다.The coating layer is formed in the form of a film surrounding the particle surface of the lithium transition metal oxide, and the thickness of the coating layer may be 5 to 2,000 nm, more preferably 10 to 500 nm. If the thickness of the coating layer is less than 5 nm, it may be difficult to form a uniform coating layer because the coating layer is too thin, and if it exceeds 2,000 nm, there may be a problem of capacity reduction due to lowering of ion conductivity.
본 발명에 따라 코팅용 폴리머 및 카바이드(carbide)의 하이브리드(hybrid) 코팅재로서 코팅하여 제조된 이차전지용 양극 활물질은 고전압 하에서 전해액과의 부반응을 억제하고, 양극 활물질 표면의 SEI(Solid electrolyte interface) 막 형성을 억제할 수 있으며, 이에 따라 고전압 하 저항 특성 및 수명 특성을 현저히 개선할 수 있다.The positive electrode active material for secondary batteries manufactured by coating as a hybrid coating material of a coating polymer and carbide according to the present invention suppresses side reactions with the electrolyte under high voltage, and forms a solid electrolyte interface (SEI) film on the surface of the positive electrode active material. Can be suppressed, and accordingly, resistance characteristics and life characteristics under high voltage can be remarkably improved.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면 상기 양극 활물질을 포함하는 이차전지용 양극 및 리튬 이차전지를 제공한다.According to still another embodiment of the present invention, a positive electrode for a secondary battery and a lithium secondary battery including the positive electrode active material are provided.
구체적으로, 상기 양극은 양극 집전체 및 상기 양극 집전체 위에 형성되며, 상기 양극 활물질을 포함하는 양극 활물질 층을 포함한다.Specifically, the positive electrode is formed on the positive electrode current collector and the positive electrode current collector, and includes a positive electrode active material layer including the positive electrode active material.
상기 양극에 있어서, 양극 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 도전성을 가진 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어 스테인리스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소 또는 알루미늄이나 스테인레스 스틸 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면 처리한 것 등이 사용될 수 있다. 또, 상기 양극 집전체는 통상적으로 3 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있으며, 상기 양극 집전체 표면 상에 미세한 요철을 형성하여 양극 활물질의 접착력을 높일 수도 있다. 예를 들어 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.In the positive electrode, the positive electrode current collector is not particularly limited as long as it has conductivity without causing chemical changes in the battery. For example, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, or carbon on aluminum or stainless steel surfaces , Surface treatment with nickel, titanium, silver, or the like can be used. In addition, the positive electrode current collector may generally have a thickness of 3 to 500 μm, and fine unevenness may be formed on the surface of the positive electrode current collector to increase the adhesion of the positive electrode active material. For example, it can be used in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous bodies, foams, and nonwoven fabrics.
또, 상기 양극 활물질 층은 앞서 설명한 양극 활물질과 함께, 도전재 및 바인더를 포함할 수 있다.In addition, the positive electrode active material layer may include a conductive material and a binder together with the positive electrode active material described above.
이때, 상기 도전재는 전극에 도전성을 부여하기 위해 사용되는 것으로서, 구성되는 전지에 있어서, 화학변화를 야기하지 않고 전자 전도성을 갖는 것이면 특별한 제한없이 사용가능하다. 구체적인 예로는 천연 흑연이나 인조 흑연 등의 흑연; 카본 블랙, 아세틸렌블랙, 케첸블랙, 채널 블랙, 퍼네이스 블랙, 램프 블랙, 서머 블랙, 탄소섬유 등의 탄소계 물질; 구리, 니켈, 알루미늄, 은 등의 금속 분말 또는 금속 섬유; 산화아연, 티탄산 칼륨 등의 도전성 위스키; 산화 티탄 등의 도전성 금속 산화물; 또는 폴리페닐렌 유도체 등의 전도성 고분자 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 도전재는 통상적으로 양극활물질층 총 중량에 대하여 1 내지 30 중량%로 포함될 수 있다.At this time, the conductive material is used to impart conductivity to the electrode, and in the battery configured, it can be used without particular limitation as long as it has electronic conductivity without causing chemical changes. Specific examples include graphite such as natural graphite and artificial graphite; Carbon-based materials such as carbon black, acetylene black, ketjen black, channel black, furnace black, lamp black, summer black, and carbon fiber; Metal powders or metal fibers such as copper, nickel, aluminum, and silver; Conductive whiskey such as zinc oxide and potassium titanate; Conductive metal oxides such as titanium oxide; Or conductive polymers, such as polyphenylene derivatives, etc. can be used, and 1 type or a mixture of 2 or more types can be used. The conductive material may typically be included in an amount of 1 to 30% by weight based on the total weight of the positive electrode active material layer.
또, 상기 바인더는 양극 활물질 입자들 간의 부착 및 양극 활물질과 양극 집전체와의 접착력을 향상시키는 역할을 한다. 구체적인 예로는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 비닐리덴플루오라이드-헥사플루오로프로필렌 코폴리머(PVDF-co-HFP), 폴리비닐알코올, 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 카르복시메틸셀룰로우즈(CMC), 전분, 히드록시프로필셀룰로우즈, 재생 셀룰로우즈, 폴리비닐피롤리돈, 테트라플루오로에틸렌, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 에틸렌-프로필렌-디엔 폴리머(EPDM), 술폰화-EPDM, 스티렌 부타디엔 고무(SBR), 불소 고무, 또는 이들의 다양한 공중합체 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 바인더는 양극 활물질층 총 중량에 대하여 1 내지 30 중량%로 포함될 수 있다.In addition, the binder serves to improve the adhesion between the positive electrode active material particles and the adhesion between the positive electrode active material and the positive electrode current collector. Specific examples include polyvinylidene fluoride (PVDF), vinylidene fluoride-hexafluoropropylene copolymer (PVDF-co-HFP), polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, and carboxymethyl cellulose (CMC) ), starch, hydroxypropyl cellulose, recycled cellulose, polyvinylpyrrolidone, tetrafluoroethylene, polyethylene, polypropylene, ethylene-propylene-diene polymer (EPDM), sulfonated-EPDM, styrene butadiene rubber (SBR), fluorine rubber, or various copolymers thereof, and one of these may be used alone or a mixture of two or more thereof. The binder may be included in an amount of 1 to 30% by weight based on the total weight of the positive electrode active material layer.
상기 양극은 상기한 양극 활물질을 이용하는 것을 제외하고는 통상의 양극 제조방법에 따라 제조될 수 있다. 구체적으로, 상기한 양극 활물질 및 선택적으로, 바인더 및 도전재를 포함하는 양극 활물질 층 형성용 조성물을 양극 집전체 상에 도포한 후, 건조 및 압연함으로써 제조될 수 있다. 이때 상기 양극 활물질, 바인더, 도전재의 종류 및 함량은 앞서 설명한 바와 같다.The positive electrode may be manufactured according to a conventional positive electrode manufacturing method except for using the positive electrode active material. Specifically, a composition for forming a positive electrode active material layer including the positive electrode active material and, optionally, a binder and a conductive material may be coated on the positive electrode current collector, followed by drying and rolling. At this time, the types and contents of the positive electrode active material, the binder, and the conductive material are as described above.
상기 용매로는 당해 기술분야에서 일반적으로 사용되는 용매일 수 있으며, 디메틸셀폭사이드(dimethyl sulfoxide, DMSO), 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol), N-메틸피롤리돈(NMP), 아세톤(acetone) 또는 물 등을 들 수 있으며, 이들 중 1종 단독 또는 2종 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 상기 용매의 사용량은 슬러리의 도포 두께, 제조 수율을 고려하여 상기 양극활물질, 도전재 및 바인더를 용해 또는 분산시키고, 이후 양극제조를 위한 도포시 우수한 두께 균일도를 나타낼 수 있는 점도를 갖도록 하는 정도면 충분하다.The solvent may be a solvent generally used in the art, dimethyl sulfoxide (dimethyl sulfoxide, DMSO), isopropyl alcohol, isopropyl alcohol, N-methylpyrrolidone (NMP), acetone or Water and the like, and among these, one kind alone or a mixture of two or more kinds can be used. The amount of the solvent is sufficient to dissolve or disperse the positive electrode active material, the conductive material, and the binder in consideration of the coating thickness and production yield of the slurry, and to have a viscosity capable of exhibiting excellent thickness uniformity when applied for the production of the positive electrode afterwards. Do.
또, 다른 방법으로, 상기 양극은 상기 양극 활물질 층 형성용 조성물을 별도의 지지체 상에 캐스팅한 다음, 이 지지체로부터 박리하여 얻은 필름을 양극 집전체 상에 라미네이션함으로써 제조될 수도 있다.In another method, the positive electrode may be produced by casting the composition for forming the positive electrode active material layer on a separate support, and then laminating the film obtained by peeling from the support on the positive electrode current collector.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 상기 양극을 포함하는 전기화학소자가 제공된다. 상기 전기화학소자는 구체적으로 전지 또는 커패시터 등일 수 있으며, 보다 구체적으로는 리튬 이차전지일 수 있다.According to another embodiment of the present invention, an electrochemical device including the anode is provided. The electrochemical device may be specifically a battery or a capacitor, or more specifically, a lithium secondary battery.
상기 리튬 이차전지는 구체적으로 양극, 상기 양극과 대향하여 위치하는 음극, 상기 양극과 음극 사이에 개재되는 세퍼레이터 및 전해질을 포함하며, 상기 양극은 앞서 설명한 바와 같다. 또, 상기 리튬 이차전지는 상기 양극, 음극, 세퍼레이터의 전극 조립체를 수납하는 전지용기, 및 상기 전지용기를 밀봉하는 밀봉 부재를 선택적으로 더 포함할 수 있다. The lithium secondary battery specifically includes a positive electrode, a negative electrode facing the positive electrode, a separator and an electrolyte interposed between the positive electrode and the negative electrode, and the positive electrode is as described above. In addition, the lithium secondary battery may further include a battery container for housing the electrode assembly of the positive electrode, the negative electrode, and the separator, and a sealing member for sealing the battery container.
상기 리튬 이차전지에 있어서, 상기 음극은 음극 집전체 및 상기 음극 집전체 상에 위치하는 음극활물질 층을 포함한다.In the lithium secondary battery, the negative electrode includes a negative electrode current collector and a negative electrode active material layer disposed on the negative electrode current collector.
상기 음극 집전체는 전지에 화학적 변화를 유발하지 않으면서 높은 도전성을 가지는 것이라면 특별히 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 구리, 스테인레스 스틸, 알루미늄, 니켈, 티탄, 소성 탄소, 구리나 스테인레스 스틸의 표면에 탄소, 니켈, 티탄, 은 등으로 표면처리한 것, 알루미늄-카드뮴 합금 등이 사용될 수 있다. 또, 상기 음극 집전체는 통상적으로 3 내지 500㎛의 두께를 가질 수 있으며, 양극 집전체와 마찬가지로, 상기 집전체 표면에 미세한 요철을 형성하여 음극활물질의 결합력을 강화시킬 수도 있다. 예를 들어, 필름, 시트, 호일, 네트, 다공질체, 발포체, 부직포체 등 다양한 형태로 사용될 수 있다.The negative electrode current collector is not particularly limited as long as it has high conductivity without causing chemical changes in the battery. For example, copper, stainless steel, aluminum, nickel, titanium, calcined carbon, copper, or the surface of stainless steel Carbon, nickel, titanium, silver or the like, aluminum-cadmium alloy, or the like may be used. In addition, the negative electrode current collector may generally have a thickness of 3 to 500 μm, and, like the positive electrode current collector, fine irregularities may be formed on the surface of the current collector to enhance the bonding strength of the negative electrode active material. For example, it can be used in various forms such as films, sheets, foils, nets, porous bodies, foams, and nonwoven fabrics.
상기 음극 활물질 층은 음극 활물질과 함께 선택적으로 바인더 및 도전재를 포함한다. 상기 음극 활물질 층은 일례로서 음극 집전체 상에 음극 활물질, 및 선택적으로 바인더 및 도전재를 포함하는 음극 형성용 조성물을 도포하고 건조하거나, 또는 상기 음극 형성용 조성물을 별도의 지지체 상에 캐스팅한 다음, 이 지지체로부터 박리하여 얻은 필름을 음극 집전체 상에 라미네이션함으로써 제조될 수도 있다.The negative active material layer optionally includes a binder and a conductive material together with the negative active material. The negative electrode active material layer is, for example, coated on a negative electrode current collector with a negative electrode active material, and optionally a composition for forming a negative electrode comprising a binder and a conductive material, or dried or cast the negative electrode forming composition on a separate support, , It can also be produced by laminating a film obtained by peeling from this support onto a negative electrode current collector.
상기 음극 활물질로는 리튬의 가역적인 인터칼레이션 및 디인터칼레이션이 가능한 화합물이 사용될 수 있다. 구체적인 예로는 인조흑연, 천연흑연, 흑연화 탄소섬유, 비정질탄소 등의 탄소질 재료; Si, Al, Sn, Pb, Zn, Bi, In, Mg, Ga, Cd, Si합금, Sn합금 또는 Al합금 등 리튬과 합금화가 가능한 금속질 화합물; SiOβ(0 < β < 2), SnO2, 바나듐 산화물, 리튬 바나듐 산화물과 같이 리튬을 도프 및 탈도프할 수 있는 금속산화물; 또는 Si-C 복합체 또는 Sn-C 복합체과 같이 상기 금속질 화합물과 탄소질 재료를 포함하는 복합물 등을 들 수 있으며, 이들 중 어느 하나 또는 둘 이상의 혼합물이 사용될 수 있다. 또한, 상기 음극활물질로서 금속 리튬 박막이 사용될 수도 있다. 또, 탄소재료는 저결정 탄소 및 고결정성 탄소 등이 모두 사용될 수 있다. 저결정성 탄소로는 연화탄소 (soft carbon) 및 경화탄소 (hard carbon)가 대표적이며, 고결정성 탄소로는 무정형, 판상, 인편상, 구형 또는 섬유형의 천연 흑연 또는 인조 흑연, 키시흑연 (Kish graphite), 열분해 탄소 (pyrolytic carbon), 액정피치계 탄소섬유 (mesophase pitch based carbon fiber), 탄소 미소구체 (meso-carbon microbeads), 액정피치 (Mesophase pitches) 및 석유와 석탄계 코크스 (petroleum or coal tar pitch derived cokes) 등의 고온 소성탄소가 대표적이다.As the negative electrode active material, a compound capable of reversible intercalation and deintercalation of lithium may be used. Specific examples include carbonaceous materials such as artificial graphite, natural graphite, graphitized carbon fibers, and amorphous carbon; Metallic compounds capable of alloying with lithium, such as Si, Al, Sn, Pb, Zn, Bi, In, Mg, Ga, Cd, Si alloy, Sn alloy or Al alloy; Metal oxides capable of doping and dedoping lithium, such as SiO β (0 <β <2), SnO 2 , vanadium oxide, and lithium vanadium oxide; Or a complex containing the metal compound and the carbonaceous material, such as a Si-C composite or a Sn-C composite, and the like, or any one or a mixture of two or more thereof may be used. In addition, a metal lithium thin film may be used as the negative electrode active material. In addition, both low-crystalline carbon and high-crystalline carbon may be used as the carbon material. Soft carbon and hard carbon are typical examples of low crystalline carbon, and amorphous or plate-like, scaly, spherical or fibrous natural graphite or artificial graphite, and kissy graphite are examples of high crystalline carbon. graphite), pyrolytic carbon, mesophase pitch based carbon fiber, meso-carbon microbeads, mesophase pitches and petroleum or coal tar pitch derived cokes).
또, 상기 바인더 및 도전재는 앞서 양극에서 설명한 바와 동일한 것일 수 있다.In addition, the binder and the conductive material may be the same as described above for the positive electrode.
한편, 상기 리튬 이차전지에 있어서, 세퍼레이터는 음극과 양극을 분리하고 리튬 이온의 이동 통로를 제공하는 것으로, 통상 리튬 이차전지에서 세퍼레이터로 사용되는 것이라면 특별한 제한 없이 사용 가능하며, 특히 전해질의 이온 이동에 대하여 저저항이면서 전해액 함습 능력이 우수한 것이 바람직하다. 구체적으로는 다공성 고분자 필름, 예를 들어 에틸렌 단독중합체, 프로필렌 단독중합체, 에틸렌/부텐 공중합체, 에틸렌/헥센 공중합체 및 에틸렌/메타크릴레이트 공중합체 등과 같은 폴리올레핀계 고분자로 제조한 다공성 고분자 필름 또는 이들의 2층 이상의 적층 구조체가 사용될 수 있다. 또 통상적인 다공성 부직포, 예를 들어 고융점의 유리 섬유, 폴리에틸렌테레프탈레이트 섬유 등으로 된 부직포가 사용될 수도 있다. 또, 내열성 또는 기계적 강도 확보를 위해 세라믹 성분 또는 고분자 물질이 포함된 코팅된 세퍼레이터가 사용될 수도 있으며, 선택적으로 단층 또는 다층 구조로 사용될 수 있다.Meanwhile, in the lithium secondary battery, the separator separates the negative electrode and the positive electrode and provides a passage for lithium ions, and can be used without particular limitation as long as it is used as a separator in a general lithium secondary battery. On the other hand, it is preferable that it has low resistance and excellent electrolyte-moisturizing ability. Specifically, porous polymer films such as ethylene homopolymer, propylene homopolymer, ethylene/butene copolymer, ethylene/hexene copolymer and ethylene/methacrylate copolymer, etc. A laminate structure of two or more layers of may be used. In addition, a conventional porous non-woven fabric, for example, a high-melting point glass fiber, non-woven fabric made of polyethylene terephthalate fiber or the like may be used. In addition, a coated separator containing a ceramic component or a polymer material may be used to secure heat resistance or mechanical strength, and may optionally be used in a single layer or multi-layer structure.
또, 본 발명에서 사용되는 전해질로는 리튬 이차전지 제조시 사용 가능한 유기계 액체 전해질, 무기계 액체 전해질, 고체 고분자 전해질, 겔형 고분자 전해질, 고체 무기 전해질, 용융형 무기 전해질 등을 들 수 있으며, 이들로 한정되는 것은 아니다. In addition, examples of the electrolyte used in the present invention include organic liquid electrolytes, inorganic liquid electrolytes, solid polymer electrolytes, gel polymer electrolytes, solid inorganic electrolytes, and molten inorganic electrolytes that can be used in the manufacture of lithium secondary batteries. It does not work.
구체적으로, 상기 전해질은 유기 용매 및 리튬염을 포함할 수 있다. Specifically, the electrolyte may include an organic solvent and a lithium salt.
상기 유기 용매로는 전지의 전기 화학적 반응에 관여하는 이온들이 이동할 수 있는 매질 역할을 할 수 있는 것이라면 특별한 제한없이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 유기 용매로는, 메틸 아세테이트(methyl acetate), 에틸 아세테이트(ethyl acetate), γ-부티로락톤(γ-butyrolactone), ε-카프로락톤(ε-caprolactone) 등의 에스테르계 용매; 디부틸 에테르(dibutyl ether) 또는 테트라히드로퓨란(tetrahydrofuran) 등의 에테르계 용매; 시클로헥사논(cyclohexanone) 등의 케톤계 용매; 벤젠(benzene), 플루오로벤젠(fluorobenzene) 등의 방향족 탄화수소계 용매; 디메틸카보네이트(dimethylcarbonate, DMC), 디에틸카보네이트(diethylcarbonate, DEC), 메틸에틸카보네이트(methylethylcarbonate, MEC), 에틸메틸카보네이트(ethylmethylcarbonate, EMC), 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate, EC), 프로필렌카보네이트(propylene carbonate, PC) 등의 카보네이트계 용매; 에틸알코올, 이소프로필 알코올 등의 알코올계 용매; R-CN(R은 C2 내지 C20의 직쇄상, 분지상 또는 환 구조의 탄화수소기이며, 이중결합 방향 환 또는 에테르 결합을 포함할 수 있다) 등의 니트릴류; 디메틸포름아미드 등의 아미드류; 1,3-디옥솔란 등의 디옥솔란류; 또는 설포란(sulfolane)류 등이 사용될 수 있다. 이중에서도 카보네이트계 용매가 바람직하고, 전지의 충방전 성능을 높일 수 있는 높은 이온전도도 및 고유전율을 갖는 환형 카보네이트(예를 들면, 에틸렌카보네이트 또는 프로필렌카보네이트 등)와, 저점도의 선형 카보네이트계 화합물(예를 들면, 에틸메틸카보네이트, 디메틸카보네이트 또는 디에틸카보네이트 등)의 혼합물이 보다 바람직하다. 이 경우 환형 카보네이트와 사슬형 카보네이트는 약 1:1 내지 약 1:9의 부피비로 혼합하여 사용하는 것이 전해액의 성능이 우수하게 나타날 수 있다. The organic solvent may be used without particular limitation as long as it can serve as a medium through which ions involved in the electrochemical reaction of the battery can move. Specifically, the organic solvent, methyl acetate (methyl acetate), ethyl acetate (ethyl acetate), γ-butyrolactone (γ-butyrolactone), ε-caprolactone (ε-caprolactone), such as ester-based solvents; Ether-based solvents such as dibutyl ether or tetrahydrofuran; Ketone solvents such as cyclohexanone; Aromatic hydrocarbon-based solvents such as benzene and fluorobenzene; Dimethylcarbonate (DMC), diethylcarbonate (DEC), methylethylcarbonate (MEC), ethylmethylcarbonate (EMC), ethylene carbonate (EC), propylene carbonate (propylene carbonate, PC) and other carbonate-based solvents; Alcohol-based solvents such as ethyl alcohol and isopropyl alcohol; Nitriles such as R-CN (R is a C2 to C20 straight-chain, branched or cyclic hydrocarbon group, and may include a double bond aromatic ring or ether bond); Amides such as dimethylformamide; Dioxolanes such as 1,3-dioxolane; Alternatively, sulfolanes may be used. Of these, carbonate-based solvents are preferred, and cyclic carbonates (for example, ethylene carbonate or propylene carbonate) having high ionic conductivity and high dielectric constant that can improve the charge and discharge performance of the battery, and low-viscosity linear carbonate-based compounds ( For example, a mixture of ethyl methyl carbonate, dimethyl carbonate or diethyl carbonate) is more preferable. In this case, the mixture of the cyclic carbonate and the chain carbonate in a volume ratio of about 1:1 to about 1:9 may be used to exhibit excellent electrolyte performance.
상기 리튬염은 리튬 이차전지에서 사용되는 리튬 이온을 제공할 수 있는 화합물이라면 특별한 제한 없이 사용될 수 있다. 구체적으로 상기 리튬염은, LiPF6, LiClO4, LiAsF6, LiBF4, LiSbF6, LiAl04, LiAlCl4, LiCF3SO3, LiC4F9SO3, LiN(C2F5SO3)2, LiN(C2F5SO2)2, LiN(CF3SO2)2. LiCl, LiI, 또는 LiB(C2O4)2 등이 사용될 수 있다. 상기 리튬염의 농도는 0.1 내지 2.0M 범위 내에서 사용하는 것이 좋다. 리튬염의 농도가 상기 범위에 포함되면, 전해질이 적절한 전도도 및 점도를 가지므로 우수한 전해질 성능을 나타낼 수 있고, 리튬 이온이 효과적으로 이동할 수 있다.The lithium salt may be used without particular limitation as long as it is a compound capable of providing lithium ions used in a lithium secondary battery. Specifically, the lithium salt is LiPF 6 , LiClO 4 , LiAsF 6 , LiBF 4 , LiSbF 6 , LiAl0 4 , LiAlCl 4 , LiCF 3 SO 3 , LiC 4 F 9 SO 3 , LiN(C 2 F 5 SO 3 ) 2 , LiN(C 2 F 5 SO 2 ) 2 , LiN(CF 3 SO 2 ) 2 . LiCl, LiI, or LiB(C 2 O 4 ) 2 and the like can be used. The concentration of the lithium salt is preferably used within the range of 0.1 to 2.0M. When the concentration of the lithium salt is included in the above range, since the electrolyte has an appropriate conductivity and viscosity, it can exhibit excellent electrolyte performance, and lithium ions can be effectively moved.
상기 전해질에는 상기 전해질 구성 성분들 외에도 전지의 수명특성 향상, 전지 용량 감소 억제, 전지의 방전 용량 향상 등을 목적으로 예를 들어, 디플루오로 에틸렌카보네이트 등과 같은 할로알킬렌카보네이트계 화합물, 피리딘, 트리에틸포스파이트, 트리에탄올아민, 환상 에테르, 에틸렌 디아민, n-글라임(glyme), 헥사인산 트리아미드, 니트로벤젠 유도체, 유황, 퀴논 이민 염료, N-치환 옥사졸리디논, N,N-치환 이미다졸리딘, 에틸렌 글리콜 디알킬 에테르, 암모늄염, 피롤, 2-메톡시 에탄올 또는 삼염화 알루미늄 등의 첨가제가 1종 이상 더 포함될 수도 있다. 이때 상기 첨가제는 전해질 총 중량에 대하여 0.1 내지 5 중량%로 포함될 수 있다. In addition to the components of the electrolyte, the electrolyte includes haloalkylene carbonate-based compounds such as difluoro ethylene carbonate, pyridine, and tree for the purpose of improving the life characteristics of the battery, suppressing the decrease in battery capacity, and improving the discharge capacity of the battery. Ethylphosphite, triethanolamine, cyclic ether, ethylene diamine, n-glyme, hexaphosphate triamide, nitrobenzene derivative, sulfur, quinone imine dye, N-substituted oxazolidinone, N,N-substituted imida One or more additives such as zolidine, ethylene glycol dialkyl ether, ammonium salt, pyrrole, 2-methoxy ethanol, or aluminum trichloride may also be included. At this time, the additive may be included in an amount of 0.1 to 5% by weight based on the total weight of the electrolyte.
상기와 같이 본 발명에 따른 양극 활물질을 포함하는 리튬 이차전지는 우수한 방전 용량, 출력 특성 및 용량 유지율을 안정적으로 나타내기 때문에, 휴대전화, 노트북 컴퓨터, 디지털 카메라 등의 휴대용 기기, 및 하이브리드 전기자동차(hybrid electric vehicle, HEV) 등의 전기 자동차 분야 등에 유용하다. Since the lithium secondary battery comprising the positive electrode active material according to the present invention as described above stably exhibits excellent discharge capacity, output characteristics and capacity retention rate, portable devices such as mobile phones, notebook computers, digital cameras, and hybrid electric vehicles ( It is useful for electric vehicle fields such as hybrid electric vehicle (HEV).
이에 따라, 본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 상기 리튬 이차전지를 단위 셀로 포함하는 전지 모듈 및 이를 포함하는 전지팩이 제공된다. Accordingly, according to another embodiment of the present invention, a battery module including the lithium secondary battery as a unit cell and a battery pack including the same are provided.
상기 전지모듈 또는 전지팩은 파워 툴(Power Tool); 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이브리드 전기자동차, 및 플러그인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV)를 포함하는 전기차; 또는 전력 저장용 시스템 중 어느 하나 이상의 중대형 디바이스 전원으로 이용될 수 있다.The battery module or battery pack includes a power tool; An electric vehicle including an electric vehicle (EV), a hybrid electric vehicle, and a plug-in hybrid electric vehicle (PHEV); Alternatively, it can be used as a power supply for any one or more medium-to-large devices in a power storage system.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art to which the present invention pertains can easily practice. However, the present invention can be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.
실시예 1Example 1
LiNi0 . 6Co0 . 2Mn0 . 2O2와 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 카바이드(carbide)로서 B4C를 100:2:0.1의 중량비로 혼합하고, 산소 분위기 하 400℃에서 3시간 가량 열처리하여 상기 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 의 입자 표면에 코팅층을 형성하였다. LiNi 0 . 6 Co 0 . 2 Mn 0 . 2 O 2 , polyvinylidene fluoride (PVDF), and B 4 C as carbide were mixed in a weight ratio of 100:2:0.1, and heat-treated at 400° C. for about 3 hours in an oxygen atmosphere to obtain the LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 on the particle surface A coating layer was formed.
실시예 2Example 2
카바이드(carbide)로서 B4C를 대신하여 Al4C3를 혼합하여 제조한 것으로 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 제조하였다.It was prepared in the same manner as in Example 1, except that it was prepared by mixing Al 4 C 3 in place of B 4 C as a carbide.
실시예 3Example 3
코팅용 폴리머로서 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF)를 대신하여 폴리바이닐피롤리돈(PVP)를 혼합하여 제조한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하여 제조하였다.It was prepared in the same manner as in Example 1, except that it was prepared by mixing polyvinylpyrrolidone (PVP) instead of polyvinylidene fluoride (PVDF) as a coating polymer.
실시예 4Example 4
LiNi0 . 6Co0 . 2Mn0 . 2O2와 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 카바이드(carbide)로서 B4C를 100:0.2:0.5의 중량비로 혼합하고, 산소 분위기 하 400℃에서 3시간 가량 열처리하여 상기 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 의 입자 표면에 코팅층을 형성하였다. LiNi 0 . 6 Co 0 . 2 Mn 0 . 2 O 2 , polyvinylidene fluoride (PVDF), and B 4 C as carbide were mixed in a weight ratio of 100:0.2:0.5, and heat-treated at 400°C for about 3 hours in an oxygen atmosphere to obtain the LiNi 0.6 Co 0.2 Mn A coating layer was formed on the surface of 0.2 O 2 particles.
비교예 1Comparative Example 1
코팅층을 형성하지 않은 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2을 준비하였다.LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 without a coating layer was prepared.
비교예 2Comparative Example 2
LiNi0 . 6Co0 . 2Mn0 . 2O2와 H3BO3를 100:0.1의 중량비로 혼합하고, 산소 분위기 하 400℃에서 3시간 가량 열처리하여 상기 LiNi0 . 6Co0 . 2Mn0 . 2O2 의 입자 표면을 코팅하였다. LiNi 0 . 6 Co 0 . 2 Mn 0 . 2 O 2 and H 3 BO 3 were mixed in a weight ratio of 100:0.1, and heat-treated at 400° C. for about 3 hours in an oxygen atmosphere to obtain the LiNi 0 . 6 Co 0 . 2 Mn 0 . 2 O 2 The surface of the particles was coated.
비교예 3Comparative Example 3
LiNi0 . 6Co0 . 2Mn0 . 2O2와 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 카본 블랙을 100:2:0.1의 중량비로 혼합하고, 산소 분위기 하 400℃에서 3시간 가량 열처리하여 상기 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 의 입자 표면에 코팅층을 형성하였다. LiNi 0 . 6 Co 0 . 2 Mn 0 . 2 O 2 , polyvinylidene fluoride (PVDF), and carbon black were mixed in a weight ratio of 100:2:0.1, and heat-treated at 400°C for about 3 hours in an oxygen atmosphere to the particle surface of LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 To form a coating layer.
이와 같이 제조된 코팅층의 경우 두께가 매우 불균일한 형태로 형성되었고, 코팅층에서 카본 블랙이 검출되지 않았다. 이는 열처리 공정 중 카본블랙이 CO2 또는 CO로 분해 제거되었기 때문인 것으로 생각된다. In the case of the coating layer thus prepared, the thickness was formed in a very non-uniform shape, and carbon black was not detected in the coating layer. This is thought to be due to the decomposition and removal of carbon black into CO 2 or CO during the heat treatment process.
비교예 4Comparative Example 4
LiNi0 . 6Co0 . 2Mn0 . 2O2와 B4C를 100:0.1의 중량비로 혼합하고, 산소 분위기 하 400℃에서 3시간 가량 열처리하여 상기 LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2 의 입자 표면을 코팅하였다. LiNi 0 . 6 Co 0 . 2 Mn 0 . 2 O 2 and B 4 C were mixed at a weight ratio of 100:0.1, and heat-treated at 400° C. for about 3 hours in an oxygen atmosphere to coat the particle surfaces of LiNi 0.6 Co 0.2 Mn 0.2 O 2 .
비교예 5Comparative Example 5
LiNi0 . 6Co0 . 2Mn0 . 2O2와 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF)를 100:2의 중량비로 혼합하고, 산소 분위기 하 400℃에서 3시간 가량 열처리하여 상기 LiNi0 . 6Co0 . 2Mn0 . 2O2 의 입자 표면을 코팅하였다. LiNi 0 . 6 Co 0 . 2 Mn 0 . 2 O 2 and polyvinylidene fluoride (PVDF) were mixed in a weight ratio of 100:2, and heat-treated at 400° C. for about 3 hours in an oxygen atmosphere to obtain the LiNi 0 . 6 Co 0 . 2 Mn 0 . 2 O 2 The surface of the particles was coated.
[실험예 1: 양극 활물질 관찰] [Experimental Example 1: Observation of positive electrode active material]
상기 실시예 1 및 비교예 2에 따라 제조된 양극 활물질을 주사전자현미경(SEM)으로 확대 관찰한 사진을 도 1, 도 2(실시예 1) 및 도 3, 도 4(비교예 2)에 나타내었다.Figures 1 and 2 (Example 1) and 3, 4 (Comparative Example 2) show photographs of the positive electrode active material prepared according to Example 1 and Comparative Example 2 enlarged and observed with a scanning electron microscope (SEM). Done.
도 1 및 도 2를 참조하면, 코팅용 폴리머 및 카바이드(carbide)의 하이브리드(hybrid) 코팅재로서 코팅하여 제조한 실시예 1은 활물질 입자 표면을 둘러싼 막 형태의 코팅층이 평균 1,000nm의 두께로 형성된 것을 확인할 수 있었다. 1 and 2, Example 1 prepared by coating as a hybrid coating material of a coating polymer and carbide is that the coating layer in the form of a film surrounding the surface of the active material particles is formed to have an average thickness of 1,000 nm. I could confirm.
도 3 및 도 4를 참조하면, 기존 코팅재인 H3BO3로 코팅한 비교예 2는 활물질 입자 표면에 막 형태가 아닌 아일랜드(island) 형태의 코팅부가 형성된 것을 확인할 수 있다.Referring to FIGS. 3 and 4, it can be seen that in Comparative Example 2 coated with an existing coating material, H 3 BO 3 , a coating portion in the form of an island rather than a film form was formed on the surface of the active material particle.
[실험예 2: 고전압 사이클 특성 평가] [Experimental Example 2: Evaluation of high voltage cycle characteristics]
실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 5에서 제조된 양극 활물질을 사용하고, 카본 블랙, PVDF 바인더를 N-메틸피롤리돈 용매 중에 중량비로 96:2:2의 비율로 혼합하여 양극 형성용 조성물을 제조하고, 이를 알루미늄 집전체의 일면에 도포한 후, 130℃에서 건조 후 압연하여, 각각 양극을 제조하였다.A composition for forming a positive electrode by using the positive electrode active material prepared in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 5, and mixing carbon black and PVDF binder in an N-methylpyrrolidone solvent in a weight ratio of 96:2:2 Was prepared, coated on one side of an aluminum current collector, dried at 130° C., and then rolled to prepare a positive electrode, respectively.
또, 음극 활물질로서 천연흑연, 카본블랙 도전재 및 PVdF 바인더를 N-메틸피롤리돈 용매 중에서 중량비로 85:10:5의 비율로 혼합하여 음극 형성용 조성물을 제조하고, 이를 구리 집전체의 일면에 도포하여 음극을 제조하였다. In addition, natural graphite, carbon black conductive material, and PVdF binder as negative electrode active materials were mixed in an N-methylpyrrolidone solvent in a weight ratio of 85:10:5 to prepare a composition for forming a negative electrode, and this was prepared on one side of a copper current collector. Coated on to prepare a negative electrode.
상기와 같이 제조된 양극과 음극 사이에 다공성 폴리에틸렌의 세퍼레이터를 개재하여 전극 조립체를 제조하고, 상기 전극 조립체를 케이스 내부에 위치시킨 후, 케이스 내부로 전해액을 주입하여 리튬 이차 전지를 제조하였다. 이때 전해액은 에틸렌카보네이트/디메틸카보네이트/에틸메틸카보네이트(EC/DMC/EMC의 혼합 부피비=3/4/3)로 이루어진 유기 용매에 1.0M 농도의 리튬헥사플루오로포스페이트(LiPF6)를 용해시켜 제조하였다. An electrode assembly was manufactured by interposing a separator of porous polyethylene between the positive electrode and the negative electrode prepared as described above, and after placing the electrode assembly inside the case, an electrolyte was injected into the case to prepare a lithium secondary battery. At this time, the electrolyte was prepared by dissolving 1.0 M lithium hexafluorophosphate (LiPF 6 ) in an organic solvent consisting of ethylene carbonate/dimethyl carbonate/ethyl methyl carbonate (EC/DMC/EMC mixing volume ratio = 3/4/3). I did.
상기와 같이 제조된 각 리튬 이차 전지 셀(full cell)에 대해 각각 25℃ 및 45℃에서 CCCV 모드로 0.7C, 4.4V가 될 때까지 충전하고, 0.55C 조건으로 cut off하였으며, 0.5C의 정전류로 3.0V가 될 때까지 방전하여 100회 충방전을 실시하면서 용량 유지율(Capacity Retention[%])을 측정하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.Each lithium secondary battery cell (full cell) prepared as described above was charged at 25°C and 45°C in CCCV mode until 0.7C and 4.4V, respectively, and cut off at 0.55C condition, and a constant current of 0.5C By discharging it to 3.0V, charging and discharging was performed 100 times to measure the capacity retention rate (Capacity Retention [%]). The results are shown in Table 1.
상기 표 1을 참조하면, 코팅용 폴리머 및 카바이드(carbide)의 하이브리드(hybrid) 코팅재로서 코팅하여 제조한 실시예 1 내지 4는 코팅하지 않은 비교예 1 또는 기존 코팅재인 H3BO3로 코팅한 비교예 2에 비하여 고전압 하 상온(25℃) 및 고온(45℃)에서의 사이클 톡성이 현저히 우수히 나타났다. 또한, 폴리머와 카본(카본 블랙)을 코팅재로서 코팅한 비교예 3과 비교하여도 실시예 1 내지 4의 사이클 특성이 현저히 우수하였다. 또한, B4C를 단독 코팅재로서 코팅한 비교예 4의 경우 상온(25℃) 및 고온(45℃)에서의 사이클 톡성이 실시예 1 내지 4 대비 낮게 나타났고, 비교예 2와 유사한 수준을 보였다. 또한, PVDF를 단독 코팅재로서 코팅한 비교예 5의 경우도 실시예 1 내지 4 대비 상온(25℃) 및 고온(45℃)에서의 사이클 특성이 현저히 낮게 나타났다.Referring to Table 1, Examples 1 to 4 prepared by coating as a hybrid coating material of a coating polymer and carbide are Comparative Example 1 without coating or a comparison coated with H 3 BO 3 as an existing coating material. Compared to Example 2, the cycle torque at room temperature (25°C) and high temperature (45°C) under high voltage was remarkably excellent. In addition, the cycle characteristics of Examples 1 to 4 were remarkably excellent even compared with Comparative Example 3 in which polymer and carbon (carbon black) were coated as a coating material. In addition, in the case of Comparative Example 4 in which B 4 C was coated as a single coating material, the cycle resistance at room temperature (25° C.) and high temperature (45° C.) was lower than that of Examples 1 to 4, and showed a similar level to that of Comparative Example 2. . In addition, in the case of Comparative Example 5 coated with PVDF as a single coating material, the cycle characteristics at room temperature (25°C) and high temperature (45°C) were significantly lower than in Examples 1 to 4.
[실험예 3: 고전압 셀저항 특성 평가][Experimental Example 3: Evaluation of high voltage cell resistance characteristics]
상기와 같이 제조된 각 리튬 이차 전지 셀(full cell)에 대해 각각 25℃ 및 45℃에서 CCCV 모드로 0.7C, 4.4V가 될 때까지 충전하고, 0.55C 조건으로 cut off하였으며, 0.5C의 정전류로 3.0V가 될 때까지 방전하여 100회 충방전을 실시하면서 저항 증가율(DCIR[%])을 측정하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다.Each lithium secondary battery cell (full cell) prepared as described above was charged at 25°C and 45°C in CCCV mode until 0.7C and 4.4V, respectively, and cut off at 0.55C condition, and a constant current of 0.5C The resistance increase rate (DCIR[%]) was measured while discharged to 3.0V and charged and discharged 100 times. The results are shown in Table 2.
상기 표 2를 참조하면, 코팅용 폴리머 및 카바이드(carbide)의 하이브리드(hybrid) 코팅재로서 코팅하여 제조한 실시예 1 내지 4는 코팅하지 않은 비교예 1 또는 기존 코팅재인 H3BO3로 코팅한 비교예 2에 비하여 고전압 하 상온 및 고온(45℃)에서의 저항 증가율이 현저히 감소하였다. 또한, 폴리머와 카본(카본 블랙)을 코팅재로서 코팅한 비교예 3과 비교하여도 실시예 1 내지 4의 저항 특성이 현저히 우수하였다.또한, 비교예 4에서 실시한 B4C 단독 코팅의 경우 실시예 1 내지 4 대비 높은 저항 증가율을 나타내었다. 이는 실시예 1 내지 4의 경우 폴리머-카바이드의 균일한 코팅에 의한 표면 전기 전도성 향상 및 부반응물 생성 억제로 인해 저항 증가율이 감소되었기 때문으로 생각되며, 비교예 4와 같이 전도성을 가지는 카바이드의 단독 코팅시 양극 활물질 표면에 균일한 코팅 형성이 되지 않기 때문인 것으로 생각된다.Referring to Table 2, Examples 1 to 4 prepared by coating as a hybrid coating material of a coating polymer and carbide are Comparative Example 1 without coating or a comparison coated with H 3 BO 3 which is an existing coating material. Compared to Example 2, the rate of increase in resistance at room temperature and high temperature (45° C.) under high voltage was significantly reduced. In addition, the resistance properties of Examples 1 to 4 were remarkably excellent even when compared to Comparative Example 3 in which polymer and carbon (carbon black) were coated as a coating material. In addition, in the case of B 4 C alone coating performed in Comparative Example 4, Example It showed a higher resistance increase rate compared to 1 to 4. This is considered to be because in the case of Examples 1 to 4, the resistance increase rate was reduced due to the improvement of the surface electrical conductivity and suppression of the generation of side-reactants by the uniform coating of polymer-carbide, and as in Comparative Example 4, a single coating of conductive carbide It is believed that this is because a uniform coating is not formed on the surface of the positive electrode active material.
또한, 비교예 5의 PVDF 단독 코팅의 경우 상대적으로 높은 저항 증가율이 나타나며, 이는 폴리머 자체의 초기 저항 증가와 더불어 충방전 중의 저항 증가율도 지속적으로 증가되었다.In addition, in the case of the PVDF alone coating of Comparative Example 5, a relatively high resistance increase rate was exhibited, which increased the initial resistance of the polymer itself and the resistance increase rate during charging and discharging continuously.
Claims (17)
상기 리튬 전이금속 산화물, 코팅용 폴리머 및 카바이드(carbide)를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 및
상기 혼합물을 열처리하여, 상기 리튬 전이금속 산화물의 입자 표면에 탄화된 코팅용 폴리머 및 카바이드(carbide)를 포함하는 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하며,
상기 리튬 전이금속 산화물은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2), 리튬 망간 산화물(LiMn2O4), 리튬 인산철 화합물(LiFePO4) 및 하기 화학식 1로 표시되는 리튬 복합 전이금속 산화물로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는 이차전지용 양극 활물질의 제조방법:
[화학식 1]
LipNi1-x-yCoxMa yMb zO2
상기 식에서, Ma은 Mn, Al 및 Zr로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소이고, Mb는 Al, Zr, Ti, Mg, Ta, Nb, Mo, W 및 Cr로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 원소이며, 0.9≤p≤1.5, 0≤x≤0.5, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.1이다.
Preparing a lithium transition metal oxide;
Forming a mixture by mixing the lithium transition metal oxide, a coating polymer, and a carbide; And
Heat-treating the mixture to form a coating layer including a carbonized coating polymer and carbide on the surface of the particles of the lithium transition metal oxide; and
The lithium transition metal oxide is lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), lithium manganese oxide (LiMn 2 O 4 ), lithium iron phosphate compound (LiFePO 4 ), and a lithium composite transition represented by Formula 1 below. Method for producing a cathode active material for a secondary battery comprising at least one or more selected from the group consisting of metal oxides:
[Formula 1]
Li p Ni 1-xy Co x M a y M b z O 2
In the above formula, M a is at least one element selected from the group consisting of Mn, Al and Zr, and M b is at least one selected from the group consisting of Al, Zr, Ti, Mg, Ta, Nb, Mo, W and Cr The above elements are 0.9≦p≦1.5, 0≦x≦0.5, 0≦y≦0.5, and 0≦z≦0.1.
상기 코팅용 폴리머는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 폴리바이닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone), 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트,폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴, 에폭시수지, 아미노 수지, 페놀 수지, 폴리에스테르 수지로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상인 이차전지용 양극 활물질의 제조방법.
The method of claim 1,
The coating polymer is polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinylpyrrolidone, polyethylene, polystyrene, polyethylene terephthalate, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, epoxy resin, amino resin, phenol resin, poly Method for producing a positive electrode active material for a secondary battery at least one selected from the group consisting of ester resins.
상기 카바이드(carbide)는 B4C, Al4C3, TiC, TaC, WC, NbC, HfC, VC 및 ZrC로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상인 이차전지용 양극 활물질의 제조방법.
The method of claim 1,
The carbide (carbide) is at least one selected from the group consisting of B 4 C, Al 4 C 3 , TiC, TaC, WC, NbC, HfC, VC, and ZrC. Method for producing a cathode active material for a secondary battery.
상기 혼합물은 리튬 전이금속 산화물 100중량부에 대하여 상기 코팅용 폴리머를 0.001 내지 10중량부 포함하는 이차전지용 양극 활물질의 제조방법.
The method of claim 1,
The mixture is a method for producing a positive electrode active material for a secondary battery comprising 0.001 to 10 parts by weight of the coating polymer based on 100 parts by weight of lithium transition metal oxide.
상기 혼합물은 리튬 전이금속 산화물 100중량부에 대하여 상기 카바이드(carbide)를 0.001 내지 10중량부 포함하는 이차전지용 양극 활물질의 제조방법.
The method of claim 1,
The mixture comprises 0.001 to 10 parts by weight of the carbide based on 100 parts by weight of the lithium transition metal oxide method for producing a cathode active material for a secondary battery.
상기 혼합물은 상기 코팅용 폴리머 및 카바이드(carbide)를 1:99 내지 99:1 중량비로 포함하는 이차전지용 양극 활물질의 제조방법.
The method of claim 1,
The mixture is a method for producing a positive electrode active material for a secondary battery comprising the coating polymer and carbide (carbide) in a weight ratio of 1:99 to 99:1.
상기 열처리는 200 내지 800℃에서 수행하는 이차전지용 양극 활물질의 제조방법.
The method of claim 1,
The heat treatment is a method of manufacturing a positive electrode active material for a secondary battery performed at 200 to 800 ℃.
상기 리튬 전이금속 산화물의 입자 표면에 형성된 코팅층;을 포함하며,
상기 코팅층은 막 형태로 이루어지고,
상기 코팅층은 탄화된 코팅용 폴리머 및 카바이드(carbide)를 포함하며,
상기 리튬 전이금속 산화물은 리튬 코발트 산화물(LiCoO2), 리튬 니켈 산화물(LiNiO2), 리튬 망간 산화물(LiMn2O4), 리튬 인산철 화합물(LiFePO4) 및 하기 화학식 1로 표시되는 리튬 복합 전이금속 산화물로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상을 포함하는 이차전지용 양극 활물질:
[화학식 1]
LipNi1-x-yCoxMa yMb zO2
상기 식에서, Ma은 Mn, Al 및 Zr로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상의 원소이고, Mb는 Al, Zr, Ti, Mg, Ta, Nb, Mo, W 및 Cr로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 하나 이상의 원소이며, 0.9≤p≤1.5, 0≤x≤0.5, 0≤y≤0.5, 0≤z≤0.1이다.
Lithium transition metal oxide; And
Includes; a coating layer formed on the particle surface of the lithium transition metal oxide,
The coating layer is made in the form of a film,
The coating layer includes a carbonized coating polymer and carbide,
The lithium transition metal oxide is lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), lithium nickel oxide (LiNiO 2 ), lithium manganese oxide (LiMn 2 O 4 ), lithium iron phosphate compound (LiFePO 4 ), and a lithium composite transition represented by Formula 1 below. A cathode active material for secondary batteries comprising at least one or more selected from the group consisting of metal oxides:
[Formula 1]
Li p Ni 1-xy Co x M a y M b z O 2
In the above formula, M a is at least one element selected from the group consisting of Mn, Al and Zr, and M b is at least one selected from the group consisting of Al, Zr, Ti, Mg, Ta, Nb, Mo, W and Cr The above elements are 0.9≦p≦1.5, 0≦x≦0.5, 0≦y≦0.5, and 0≦z≦0.1.
상기 코팅용 폴리머는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF), 폴리바이닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone), 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 폴리에틸렌 테레프탈레이트,폴리염화비닐, 폴리염화비닐리덴, 에폭시수지, 아미노 수지, 페놀 수지, 폴리에스테르 수지로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상인 이차전지용 양극 활물질.
The method of claim 9,
The coating polymer is polyvinylidene fluoride (PVDF), polyvinylpyrrolidone, polyethylene, polystyrene, polyethylene terephthalate, polyvinyl chloride, polyvinylidene chloride, epoxy resin, amino resin, phenol resin, poly At least one positive electrode active material for secondary batteries selected from the group consisting of ester resins.
상기 코팅용 폴리머는 폴리비닐리덴플로라이드(PVDF) 및 폴리바이닐피롤리돈(Polyvinylpyrrolidone), 폴리에틸렌 테레프탈레이트 및 폴리염화비닐리덴으로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상인 이차전지용 양극 활물질.
The method of claim 9,
The coating polymer is at least one selected from the group consisting of polyvinylidene fluoride (PVDF) and polyvinylpyrrolidone, polyethylene terephthalate, and polyvinylidene chloride.A cathode active material for a secondary battery.
상기 카바이드(carbide)는 B4C, Al4C3, TiC, TaC, WC, NbC, HfC, VC 및 ZrC로 이루어진 군에서 선택된 적어도 하나 이상인 이차전지용 양극 활물질.
The method of claim 9,
The carbide (carbide) is at least one selected from the group consisting of B 4 C, Al 4 C 3 , TiC, TaC, WC, NbC, HfC, VC, and ZrC.
상기 카바이드(carbide)는 B4C 또는 Al4C3인 이차전지용 양극 활물질.
The method of claim 9,
The carbide (carbide) is B 4 C or Al 4 C 3 A cathode active material for a secondary battery.
상기 코팅층은 5 내지 2,000nm 두께인 이차전지용 양극 활물질.
The method of claim 9,
The coating layer is a positive electrode active material for secondary batteries having a thickness of 5 to 2,000 nm.
상기 코팅층은 리튬 전이금속 산화물 입자 100중량부에 대하여 상기 카바이드(carbide)를 0.001 내지 10중량부 포함하는 이차전지용 양극 활물질.
The method of claim 9,
The coating layer is a cathode active material for a secondary battery containing 0.001 to 10 parts by weight of the carbide (carbide) based on 100 parts by weight of lithium transition metal oxide particles.
A positive electrode for a secondary battery comprising the positive electrode active material according to any one of claims 9 to 15.
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